PMSM矢量控制系統設計與實現

自抗擾控制器 PMSM 矢量控制系統

永磁同步電機PMSM(Permanent Magner Synchronous Machine)具有功率密度高、體積小、效率高、慣量小等優點，廣泛應用于數控機床領域[1]。然而PMSM是一個非線性、強耦合、參數攝動的多變量系統，對于外界擾動以及系統參數變化比較敏感，因此對于控制系統要求較高，既要具有高性能的軟硬件結構，又要具有高性能的控制策略和控制算法[2]。

　為了提高PMSM控制性能, 國內外學者展開了廣泛研究。參考文獻[3]提出一種基于狀態觀測和反饋的控制策略, 參考文獻[4]提出一種基于自抗擾控制器的控制策略，這些方法具有良好的動靜態性能，卻未考慮電流環中耦合非線性因素的影響，無法從根本上解決非線性問題；參考文獻[5]提出一種基于模糊自適應PID及干擾觀測器的三環控制策略，但是這種方法算法較復雜，實時性較差。

　本文提出并實現了一種基于自抗擾控制器[6-7](ADRC)的PMSM矢量控制系統。首先設計基于ADRC的控制器，實時觀測出由系統內部非線性因素以及外部擾動引起的“內外擾動”并進行補償，從而實現精確控制。其次自行研制了基于DSP的多軸運動控制卡，并在此基礎上實現了基于ADRC的矢量控制系統。仿真及實驗結果表明，系統具有良好的動態性能及魯棒性，能夠快速加工出符合要求的模型。

1 ADRC數學模型

　自抗擾控制器是一種基于誤差反饋的新型控制器，主要由非線性跟蹤微分器(NTD)、擴張狀態觀測器(ESO)、非線性誤差反饋(NLSEF)三部分組成，對于形如式(1)的非線性不確定對象具有良好的控制效果。

式(9)~式(12)中V1是電流給定的跟蹤值，Z1是電流觀測的跟蹤值。使用ESO實時觀測出系統“內外擾動”并加以精確補償，即可消除耦合非線性因素的影響，從而實現電流環的準確解耦控制。由于電流環已經抑制了各種擾動，因此為了簡化控制器結構，設計速度環以及位置環控制器時可將非線性跟蹤微分器省略。

3 控制系統實現

　本文自行研制了基于DSP的多軸運動控制卡，運動控制卡充分利用計算機資源，具有高度的集成性、可靠性以及實時性。

   控制系統整體結構圖，系統分為上位機和下位機兩大部分。上位機ARM主要進行加工指令輸入以及譯碼等操作；下位機DSP通過D/A模塊控制多個電機，并通過FPGA模塊解碼編碼器反饋信號，在此基礎上實現電機的閉環控制?；?/span>DSP的多軸運動控制卡的主要功能模塊包括：

   (1) 采用美國TI公司TMS320C2000系列高端運動控制芯片作為系統核心DSP芯片以實現系統的實時處理以及復雜運算；

   (2) 采用雙口RAM實現運動控制卡與上位機之間的高速通信；

   (3) 采用CPLD以及FPGA實現I/O、片選、編碼器反饋解碼等控制功能的擴充；

   (4) 采用D/A模塊實現對電機的伺服控制。

　為了驗證基于ADRC的運動控制系統對于永磁同步電機的矢量控制效果，本文進行了以下工作：

　(1) 通過仿真軟件包Matlab R2008a Simulink平臺進行仿真以驗證控制策略的可行性。圖4是分別采用經典PID以及ADRC進行對比控制時的轉子位置響應曲線，由圖中可以看出采用ADRC時超調較小，響應速度較快，系統性能良好。

    (2)進行基于DSP的多軸運動控制卡與電機的聯調以測試運動控制系統性能。圖5、圖6分別是系統輸出電壓電流波形以及電流頻譜，由圖中可以看出系統輸出光滑而且穩定，能夠在相當大程度上抑制諧波。

    (3) 應用運動控制系統進行模型加工?；?/span>ADRC的控制系統能夠快速、準確地加工出符合設計的要求的模型。

本文提出并實現了一種基于自抗擾控制器（ADRC）的PMSM矢量控制系統。首先設計了基于ADRC的控制器，將系統內部非線性項作為“系統內擾”，實時觀測出系統內外擾動的綜合并進行補償;其次自行研制了基于DSP的多軸運動控制卡，并在此基礎上實現了基于ADRC的矢量控制系統。仿真及實驗結果表明系統性能良好，能夠快速加工出符合要求的模型。